A tudomány küldetése A valóság minél pontosabb megismerése a tudományos igazságok feltárása
Orvosi Biofizika
Jó ez? Fontos ez? Igen(!): “A valóság sokkal szebb, mint azt bárki elképzelhetné...!” Richard P. Feynman (Nobel-díjas)
Kellermayer Miklós Megközelítési módjaink: 1.Tudományos lelkület: Rácsodálkozás (kíváncsiság) Kritikus gondolkodás (mások és önmagunk kritikája) • Kérdezés és kétkedés
• •
2.Tudományos módszer: • Megfigyelés • Megfontolás • Hipotézisfelállítás • Kísérlet
„bármely tudományos igazság próbaköve a kísérlet”
Orvosi Biofizika
Biológiai jelenség fizikai leírása
Módszertana: Az “élő” folyamatokat 1) egyszerűsíti 2) számszerűsíti Feladatai: 1) Orvosi és biológiai jelenségek, folyamatok fizikai leírása 2) Fizikai alapú orvosi módszerek megértése Kérdések lehetnek például: 1. Mekkora erőt (F) kell kifejteni egy spermatocitának ahhoz, hogy adott (v) sebességgel mozogjon? 2. Hogyan történik mindez (mi a pontos mechanizmus)? Predikciós erejű modell építése.
Spermatocita motilitás molekuláris mechanizmusa
A spermatocita által érzékelt közegellenállás Mekkora erőt (F) kell kifejteni egy spermatocitának ahhoz, hogy adott (v) sebességgel mozogjon?
Hogyan történik mindez (mi a pontos mechanizmus)? Predikciós erejű modell építése. Biomolekuláris funkcionális modell: “In vitro motilitási próba”
Szerkezet Spermium modell: kör keresztmetszetű tárgy
Dinein
Stokes törvény:
MT
Dinein karok Külső mikrotubulus duplex
“Küllő”
Belső mikrotubulus duplex Dinein kar
Sejtmembrán
Mikroszkóp fedőlemez
Fluoreszcencia videomikroszkópia
F = γv = 6rπηv
*Megjegyzés: az ábra a kinezint és nem a dineint mutatja!
γ = 6rπη = 6 ⋅1.6 ×10−6(m)⋅ π ⋅10−3(Pas) = 3 ×10−8 Ns/m F = γv = 3 ×10−8 Ns/ m ⋅ 5 × 10−5 m /s = 1.5 × 10−1 2N = 1.5 pN
Orvosi biofizika: előadástematika 3.
6. 7.
8. 9. 10. 11. 12. 13.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.
12. 13. 14.
Röntgensugárzás előállítása és tulajdonságai Röntgendiagnosztikai alapok Az elektromosság orvosi alkalmazásai Termodinamika - egyensúly, változás, főtételek Diffúzió, Brown-mozgás, Ozmózis Folyadékok és gázok áramlása. A véráramlás biofizikája Hang, ultrahang Bioelektromos jelenségek Érzékszervek biofizikája, látás, hallás Az élő anyag építőkövei: víz, makromolekulák, szupramolekuláris rendszerek A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Biomechanika, biomolekuláris és szöveti rugalmasság A biomolekuláris szerkezet és dinamika vizsgálómódszerei. Az MRI alapjai A légzés és a szívműködés biofizikája. A fizikális vizsgálat biofizikai alapjai
Hangya
1 milliméter
Poratka
Komplexitás
4. 5.
Bevezető. Az orvostudomány és a biofizika kapcsolata. Sugárzások a medicinában. A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske. Orvosi optikai eszközök működése a geometriai optika és a hullámoptika alapján. A látás optikai háttere, színlátás, színkeverés. Anyagszerkezet, anyaghullám, atomi illetve molekuláris kölcsönhatások. Sokatomos rendszerek. Gázok, szilárdtestek, folyadékkristályok, folyadékok. A Boltzmanneloszlás. Fényemisszió, fényforrások, színkép. Az emissziós spektroszkópia alapelvei. Hőmérsékleti sugárzás. Fénysugárzás anyaggal való kölcsönhatásai. Az abszorpciós spektroszkópia alapelvei. Lumineszcencia és alkalmazása a diagnosztikában. Lézerek és orvosi alkalmazásuk. Atommag, radioaktivitás, magsugárzások. Dozimetria, sugárvédelem. Nukleáris méréstechnika. A nukleáris medicina főbb problémái. A radioaktív sugárzás az orvosi gyakorlatban. Jelfeldolgozás. A jelek osztályozása, Fourier felbontása, Elektromos alapáramkörök. Félvezető áramköri elemek. Jelátalakítás, jelszelektálás, megjelenítők.
Milliskála
2.
1023 Atom
Termodinamika
II. félév
Dinein mozog a mikrotubuluson
Biomolekuláris rendszerek méretskálája
Emberi hajszál
1010 Atom
Mikroskála
1.
Mikrotubulus mozog a dineinen
Vörösvértest, fehérvérsejt
Látható spektrum
Mezoskála
103 Atom Nanoskála
I. félév
“Részeg tengerész” lépegetési mechanizmus
DNS
Kvantumkémia Kvantumfizika
1 nanométer
5 db Si atom
101 Atom 100 Atom
Prefixumok
yotta
Y
1024
zetta
Z
1021
exa
E
1018
peta
P
1015
tera
T
1012
giga
G
109
mega
M
106
kilo
k
103
hekto
h
102
deka
da
101
deci
d
10-1
Az élő sejt méretskálája Rudolf Virchow (1855): “Omnis cellula e cellula”
3 nagyságrendenként külön prefixum
Egyszerűsített sejtmodell: kocka
minden nagyságrendre külön prefixum
Sejt: 20 μm oldalfalú kocka
Analógia Tanterem: 20 m oldalfalú kocka
Aktinmolekula mérete
5 nm
5 mm
~500 ezer
~500 ezer
centi
c
10-2
Aktinmolekulák száma
milli
10-3
Aktin átlagos távolsága
~250 nm
~25 cm
mikro
m μ
10-6
Kálium ion mérete
0.15 nm
0.15 mm
nano
n
10-9
piko
p
10-12
Kálium ionok száma
~109
~109
femto
f
10-15
Kálium ionok átlagos távolsága
~20 nm
~2 cm
atto
a
10-18
zepto
z
10-21
yocto
y
10-24
3 nagyságrendenként külön prefixum Aktin filamentum (d=7 nm)
Vizsgálhatók-e a biológiai rendszer legkisebb részletei? Modell
“Valóság” (mérési eredmény)
G-aktin (d=5 nm, cc~100 μM)
Kálium ion (d=0.15 nm, cc~150 mM)
A modell hiányosságai:
•a koncentrációk lokálisan változnak •dinamika: állandó mozgás, ütközés •kölcsönhatások, a dinamika miatt sokféle
Sugárzások: mindenütt H-atom emissziós spektruma
Orion Nebula
1 nm
Globuláris aktin fehérjemolekula szerkezeti modellje szürke - C; piros - O; kék - N; sárga - S
Oxigén atomok rhodium egykristály felületén (pásztázó tűszondás mikroszkóp felvétel)
Forrás
Sugárzás
Besugárzott test
Minden sugárzásban energia terjed
Sugárzások fajtái
Hullámok vagy részecskék formájában.
Energia, E:
Nem-ionizáló sugárzás
[E] = J (Joule)
Energia-áram = teljesítmény:
Ionizáló sugárzás
[P] = W (Watt)
ΔE: a Δt idő alatt szállított energia
Mechanikai hullámok
Hang
Elektromágneses hullámok
Ultrahang
Rádió
Infrav.
Látható
Elektromágneses hullámok
Ultraibolya
Röntgen
Részecske sugárzás
Gamma
Alfa
Energiaáram-sűrűség = teljesítmény-sűrűség:
[J] = W/m2
Beta
A: felület (az energiaterjedés irányára merőleges)
A radiometria mennyiségei Kisugárzott felületi teljesítmény
Sugárintenzitás
A sugárzás irányfüggősége
Besugárzott felületi teljesítmény izotróp sugárzó
anizotróp sugárzó
Radián, szteradián
Egységnyi felület által 2 térszögben mekkora a kisugárzott teljesítmény
Egységnyi felületen mekkora teljesítmény áramlik át
Egységnyi felületre eső teljesítmény, ha az minden irányból érkezhet
ívmérték (radián): ívhossz/sugár; teljes kör:
térszög (szteradián): felület/sugárnégyzet; teljes térszög:
2r/r = 2
4r2/r2 = 4
Felületi teljesítmény távolságfüggése különböző geometriájú sugárforrások esetén
Miközben a sugárzás áthalad az anyagon, intenzitása csökken
(A kilépő sugárzás “gyengébb” mint a belépő)
Agömb~r2
Ahenger~r
A=konstans
Általános sugárgyengítési törvény J<J0
Orvosi jelentőség
ΔJ = J - J0
Áthaladt intenzitás
Belépő intenzitás
J
Áthaladt intenzitás
J0
Le tudjuk írni ezt a jelenséget egyszerű törvényszerűséggel?
Röntgen sugárforrás
Röntgensugárzás Vastagság, úthossz Általánosan elmondható, hogy a gyengülés mértéke függ a belépő intenzitástól, az úthossztól és az anyagi minőségtől:
ΔJ~Δx;
ΔJ~µ
A mennyiség (J) és annak változása (ΔJ) egymással arányosak:
ΔJ=-µΔxJ J
J-ΔJ
Áthaladt intenzitás
ΔJ~J;
Gyengítés (emberi test) µ = sugárgyengítési együttható D = felező rétegvastagság
Detektor (film, szenzor, képernyő)
Exponenciális függvény:
J=J0e-µx
Vastagság, úthossz
Mellkas röntgen felvétel
